光學(xué)計(jì)算
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2022-04-14
光學(xué)計(jì)算的視頻教程
汽車光學(xué)仿真與分析
課程背景： 本次研討會(huì)聚焦汽車光學(xué)前沿領(lǐng)域，研討會(huì)中使用武漢二元科技旗艦產(chǎn)品-OAS光學(xué)軟件，軟件完全國產(chǎn)自主可控，支持幾何光學(xué)和物理光學(xué)跨尺度計(jì)算。 通過 OAS 光學(xué)軟件深入剖析汽車光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。光學(xué)工程師將圍繞車燈、HUD、汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)等關(guān)鍵方向，分享實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探討創(chuàng)新思路，助力企業(yè)提升汽車光學(xué)設(shè)計(jì)水平。
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光學(xué)計(jì)算的實(shí)例教程
光學(xué)計(jì)算是替代當(dāng)前電子計(jì)算機(jī)的另一種可能形式。在這篇文章中，我們將探討光學(xué)計(jì)算的概念，并解釋了光學(xué)矩陣乘法網(wǎng)絡(luò)是如何工作的。我們還討論了如何使用 COMSOL Multiphysics? 軟件及其附加產(chǎn)品——波動(dòng)光學(xué)模塊對(duì)光學(xué)計(jì)算設(shè)備進(jìn)行建模。結(jié)合這些產(chǎn)品的使用，展示了在模擬大型光學(xué)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)用波束包絡(luò)法的優(yōu)勢(shì)。
光學(xué)計(jì)算簡介
摩爾定律
在過去的幾十年里，計(jì)算機(jī)的能力一直呈指數(shù)級(jí)增長。這種增長遵循摩爾定律，即集成電路中的晶體管數(shù)量每兩年翻一番，而計(jì)算機(jī)的成本將降低。這使得我們今天享有的大部分現(xiàn)代技術(shù)成為可能。例如，主流計(jì)算機(jī)芯片完全基于晶體管等電子元件，每塊芯片的晶體管數(shù)量幾乎每兩年就會(huì)翻一番。為了跟上這種增長，并在可控的功率效率下提高計(jì)算機(jī)芯片的性能，芯片上的電子元件(包括晶體管)的小型化既關(guān)鍵又不可避免。盡管工程師們?cè)谶@方面做了出色的工作，將晶體管從厘米尺度縮小到納米尺度，但重要的是要認(rèn)識(shí)到，最終基本的限制將阻礙這類設(shè)備的發(fā)展。例如，當(dāng)一個(gè)電子元件的尺寸接近原子水平時(shí)，量子效應(yīng)將導(dǎo)致其功能不穩(wěn)定。科學(xué)和工程界長期以來一直在考慮電子計(jì)算機(jī)的替代形式。最近引起廣泛關(guān)注的一種替代是光學(xué)計(jì)算——指用光(光子)而不是電流(電子)進(jìn)行計(jì)算。
雖然光學(xué)計(jì)算是一項(xiàng)新興技術(shù)，但光學(xué)在信息技術(shù)中的應(yīng)用已經(jīng)有相當(dāng)長的一段時(shí)間了，特別是利用光進(jìn)行信息傳輸。損耗極低的光纖可以以光速長距離傳輸信息。光纖網(wǎng)絡(luò)設(shè)備常用于數(shù)據(jù)中心甚至普通家庭。然而，在商業(yè)化方面，利用光進(jìn)行計(jì)算仍處于起步階段。
光學(xué)中的數(shù)學(xué)計(jì)算
眾所周知，某些光學(xué)過程對(duì)應(yīng)于數(shù)學(xué)計(jì)算。例如，考慮光的衍射。當(dāng)光通過衍射介質(zhì)時(shí)，本質(zhì)上是在進(jìn)行傅里葉變換積分。然而，光學(xué)系統(tǒng)是否可以像我們今天擁有的計(jì)算機(jī)一樣進(jìn)行通用數(shù)學(xué)計(jì)算，可能還不是很清楚。目前，光學(xué)計(jì)算有許多不同的形式。
展開 光學(xué)模擬計(jì)算憑借光速并行處理的天然優(yōu)勢(shì)，被視為下一代計(jì)算技術(shù)的核心方向。長期以來，光學(xué)微分技術(shù)多停留在一階或二階操作，高階微分的實(shí)現(xiàn)與實(shí)用化始終是難題。本期文章將介紹一項(xiàng)發(fā)表于《Nature》的研究，利用超表面（Metasurface）這一革命性材料，不僅實(shí)現(xiàn)了五階光學(xué)微分，更將分辨率推至0.015倍瑞利極限，為納米級(jí)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和超分辨成像提供了全新工具。
引言
在人工智能、自動(dòng)駕駛、機(jī)器視覺等信息技術(shù)飛速發(fā)展的今天，圖像處理技術(shù)已成為核心驅(qū)動(dòng)力。其中，圖像微分或邊緣檢測是通過提取圖像中亮度或相位的突變信息，成為識(shí)別物體輪廓、增強(qiáng)圖像細(xì)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)。然而，傳統(tǒng)數(shù)字圖像處理依賴電子芯片計(jì)算，面臨算力瓶頸和高能耗問題。相比之下，光學(xué)模擬計(jì)算憑借其并行處理、低功耗和瞬時(shí)響應(yīng)的天然優(yōu)勢(shì)，被視為下一代計(jì)算技術(shù)的突破口。
但傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)依賴笨重的透鏡和棱鏡，難以集成化；且現(xiàn)有光學(xué)微分器多局限于一階或二階微分，高階微分操作長期面臨技術(shù)瓶頸。近期，一項(xiàng)發(fā)表于《Nature》的研究提出了一種基于超表面的高階光學(xué)微分器，不僅實(shí)現(xiàn)了五階微分，還將其應(yīng)用于光學(xué)超分辨率成像，分辨率突破瑞利極限，為半導(dǎo)體納米制造中的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)提供了全新工具。
高階微分器的設(shè)計(jì)原理
1.Pancharatnam-Berry（PB）相位超表面
PB相位超表面是一類基于幾何相位調(diào)控的超表面。其單元結(jié)構(gòu)（如硅納米柱）類似“半波片”，當(dāng)圓偏振光入射時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)納米柱的取向角，可在透射或反射光中引入附加相位。這種相位調(diào)制僅依賴于結(jié)構(gòu)取向，對(duì)波長不敏感，因此具備寬波段工作潛力，是光學(xué)計(jì)算的理想載體。
2.從數(shù)學(xué)到光學(xué)：傅里葉變換的微分特性
根據(jù)傅里葉變換的微分性質(zhì)，對(duì)圖像進(jìn)行n階微分，等效于在頻域（傅里葉平面）將其頻譜乘以(ik) 。
展開 為此，我參考四篇SCI論文，自主開發(fā)了VO2光學(xué)常數(shù)計(jì)算軟件，是一個(gè)獨(dú)立的exe應(yīng)用程序，可在windows平臺(tái)運(yùn)行。
軟件界面：
計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證：
請(qǐng)從附件中下載軟件：
033-[自編軟件] VO2 的光學(xué)常數(shù)計(jì)算軟件（V1.2）.zip
032 – Matlab VO2的光學(xué)常數(shù)計(jì)算代碼（Matlab文件+參考文獻(xiàn)，252元）
基本介紹：
主要內(nèi)容：參考四篇SCI論文，基于Matlab編寫了 VO2 的電導(dǎo)率、介電常數(shù)、折射率計(jì)算代碼，并列舉7個(gè)例子幫助大家理解；
計(jì)算所需的內(nèi)存：無；
本案例包含Matlab程序文件和參考文獻(xiàn)。
包含的文件截圖：
詳細(xì)描述：
二氧化釩（VO2）是一種相變材料，其物理和化學(xué)性質(zhì)可以通過改變溫度來大幅度地調(diào)節(jié)，從而可以用來設(shè)計(jì)溫控器件。
VO2 的相變溫度在 T0 ≈ 68 ℃ 附近，
當(dāng)溫度低于 T0 時(shí)為絕緣態(tài)，展現(xiàn)出電介質(zhì)的特性
當(dāng)溫度高于 T0 時(shí)為金屬態(tài)，展現(xiàn)出金屬的特性，可以導(dǎo)電。
VO2 的相變特性主要在其電導(dǎo)率、介電常數(shù)、折射率等參數(shù)上體現(xiàn)出來，也就是說 VO2 的這些光學(xué)參數(shù)不僅是頻率(ω)的函數(shù)，也是溫度(T)的函數(shù)。更麻煩的是，這些物理量還都是復(fù)數(shù)，即：
σ = σ’(ω, T) + iσ”(ω, T)
ε = ε’(ω, T) + iε”(ω, T)
n = n’(ω, T) + in”(ω, T)
目前人們主要通過兩種方式來對(duì)VO2的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行建模：
第一種是認(rèn)為VO2在任意溫度下的介電常數(shù)都滿足Drude模型，然后將等離子體頻率和碰撞頻率擬合成溫度的函數(shù)
第二種是認(rèn)為VO2的金屬態(tài)滿足Drude模型，絕緣態(tài)的介電常數(shù)是一個(gè)不隨溫度變化的常數(shù)，而相變溫度附近VO2是金屬態(tài)和絕緣態(tài)的混合物。利用混合物等效介質(zhì)理論求出相變溫度附近的介電常數(shù)
以上兩種方式計(jì)算起來都比較繁瑣，涉及的計(jì)算量很大。
展開 031 – [自編軟件]石墨烯的光學(xué)常數(shù)計(jì)算軟件（exe應(yīng)用程序，免費(fèi)試用版）
基本介紹：
主要內(nèi)容：本店自主開發(fā)的Kubo公式及其4種近似公式的計(jì)算軟件，windows平臺(tái)exe應(yīng)用程序；
計(jì)算所需的內(nèi)存：無；
本案例包含一個(gè)我自主開發(fā)的軟件。
包含的文件截圖：
詳細(xì)描述：
石墨烯（Graphene）由于其優(yōu)異的可調(diào)諧性能，是近幾年的熱門研究對(duì)象。在您的研究中加入石墨烯調(diào)諧，有望顯著提升論文檔次。
計(jì)算石墨烯光學(xué)常數(shù)（電導(dǎo)率、介電常數(shù)、折射率）的Kubo公式比較復(fù)雜，正確計(jì)算該公式耗時(shí)耗力。
為此，我自主開發(fā)了Kubo公式及其4種近似公式的計(jì)算軟件，是一個(gè)獨(dú)立的exe應(yīng)用程序，可在windows平臺(tái)運(yùn)行。這5種公式分別為：
Kubo公式
Hanson提出的近似公式
Falkovsky提出的第一種近似公式
Falkovsky提出的第二種近似公式
Drude模型近似公式
軟件界面：
利用Hanson的公式計(jì)算了石墨烯在3 ~ 8 THz范圍內(nèi)不同化學(xué)勢(shì)的介電常數(shù)，并與論文《A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial》對(duì)比，計(jì)算結(jié)果與論文中的圖完全一致：
軟件截圖中計(jì)算的是論文中的紅色線
請(qǐng)從附件中下載軟件：
031-[自編軟件]石墨烯的光學(xué)常數(shù)計(jì)算軟件（V1.5）.zip
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光學(xué)計(jì)算的最新內(nèi)容
因此，雙膠合透鏡的設(shè)計(jì)計(jì)算在光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中十分重要。
雙膠合透鏡是由兩片不同光學(xué)材料的膠合在一起的光學(xué)透鏡結(jié)構(gòu)形式。兩片玻璃通常一片是王冕玻璃，另一片是火石玻璃。往往要根據(jù)不同光學(xué)要求決定使用王冕在前還是火石在前，然后根據(jù)這一原則選擇具體玻璃牌號(hào)的配對(duì)。最后根據(jù)配對(duì)的兩片玻璃的光學(xué)參數(shù)計(jì)算該玻璃組合的、、C，反復(fù)選擇適合的玻璃組合，求取其、、C，看是否滿足系統(tǒng)對(duì)其、、C值的要求。
文章轉(zhuǎn)載自：iLoveOurEarth，僅分享，侵權(quán)刪
激光測距模組：
?威睛光學(xué)成立于2018年，是一家圍繞計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)，以新一代智能光電產(chǎn)品為核心的企業(yè)。公司核心團(tuán)隊(duì)源自哈爾濱工業(yè)大學(xué)，匯聚國防和航天專家，專注光學(xué)技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用，致力于為國家安全和民用領(lǐng)域提供光學(xué)產(chǎn)品與解決方案。
光學(xué)計(jì)算
光計(jì)算旨在通過將電子器件與光處理器件互換來充分利用光信號(hào)的高帶寬。
例如，2014年，研究人員制作了一種由二氧化釩等離子體材料制成的200 nm太赫茲光開關(guān)。二氧化釩顯示出在不透明金屬相和透明半導(dǎo)體相之間轉(zhuǎn)換的能力。
二氧化釩納米粒子沉積在玻璃基板上，并與充當(dāng)?shù)入x子體光電陰極的金納米粒子疊加。
同樣適用于界面分析
優(yōu)勢(shì)
針對(duì)大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)仿真進(jìn)行了優(yōu)化
提供超過300種經(jīng)驗(yàn)經(jīng)典勢(shì)函數(shù)（支持組合使用，亦可添加自定義或文獻(xiàn)中的勢(shì)函數(shù)）
執(zhí)行高度定制化的力學(xué)屬性仿真
系統(tǒng)類型
應(yīng)用示例
聚合物
功能
構(gòu)建并平衡聚合物系統(tǒng)
獲取熱機(jī)械屬性，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、彈性模量及動(dòng)態(tài)模量
仿真熱傳輸過程
計(jì)算光學(xué)屬性
從表2中的法蘭焦距可知，鏡頭低溫離焦量為?18μm，高溫離焦量為15μm，與光機(jī)熱集成仿真的結(jié)果基本一致，充分驗(yàn)證了光機(jī)熱集成仿真方法的可靠性，也彰顯了Zemax在光學(xué)性能預(yù)判計(jì)算中的高精度優(yōu)勢(shì)。
第六章 威睛的產(chǎn)業(yè)位勢(shì)：立足于相位，贏在“看得準(zhǔn)”
6.1 全球計(jì)算光學(xué)格局中的差異化
全球計(jì)算光學(xué)競技場中，參與者路徑多元，或以傳感器為主導(dǎo)（OmniVision手機(jī)全焦方案），或以超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)見長（Metalenz），或偏重波前傳感器或變形鏡等組件。
OCAD應(yīng)用：四組元連續(xù)變焦系統(tǒng)1個(gè)月前
凸輪曲線是在設(shè)計(jì)機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，為保證系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定，用高斯光學(xué)理論計(jì)算變焦組和補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線。為此，在本設(shè)計(jì)時(shí)就自動(dòng)計(jì)算出了系統(tǒng)凸輪曲線坐標(biāo)值并繪出凸輪曲線如圖6，通過工具條上“圖文”菜單隨時(shí)可以顯示凸輪曲線的參數(shù)坐標(biāo)值如圖7所示。
五維智能感知——下一代光學(xué)的百年演進(jìn)1個(gè)月前
第三次躍遷（21世紀(jì)初—現(xiàn)在）：計(jì)算光學(xué)時(shí)代。 光場相機(jī)、壓縮感知、超分辨、無透鏡成像等技術(shù)的興起，標(biāo)志著光學(xué)開始與計(jì)算深度融合。硬件不再追求“完美成像”，而是與算法協(xié)同，從欠采樣的數(shù)據(jù)中重建圖像。
第四次躍遷（未來百年）：五維智能傳感時(shí)代。 這是第三次躍遷的自然延伸，但具有本質(zhì)的不同——傳感器從被動(dòng)的光記錄儀進(jìn)化為主動(dòng)的光理解器。
OCAD應(yīng)用：五組元連續(xù)變焦系統(tǒng)1個(gè)月前
凸輪曲線是在設(shè)計(jì)機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，為保證系統(tǒng)像面位置穩(wěn)定，用高斯光學(xué)理論計(jì)算變焦組和補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)曲線。為此，在本設(shè)計(jì)時(shí)就自動(dòng)計(jì)算出了系統(tǒng)凸輪曲線坐標(biāo)值并繪出凸輪曲線如圖6，通過工具條上“圖文”菜單隨時(shí)可以顯示凸輪曲線的參數(shù)坐標(biāo)值如圖7所示。
</p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify">威睛光學(xué)成立于2018年，是一家圍繞計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)，以新一代智能光電產(chǎn)品為核心的高新技術(shù)企業(yè)。公司核心團(tuán)隊(duì)源自哈爾濱工業(yè)大學(xué)，匯聚國防和航天專家，專注高端光學(xué)技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用，致力于為國家安全和民用領(lǐng)域提供先進(jìn)的光學(xué)產(chǎn)品與解決方案。
